Úvod
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 40

Úvod PowerPoint PPT Presentation


  • 125 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Úvod. Sylabus ( Fischer , Šantrůček). 1. Úvod Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP. 2. Primární procesy fotosyntézy

Download Presentation

Úvod

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Vod

Úvod


Vod

Sylabus (Fischer, Šantrůček)

1. Úvod

Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP.

2. Primární procesy fotosyntézy

Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Účinnost fixace sluneční energie rostlinami. Absorpce energie kvanta molekulou chlorofylu. Světelné reakce fotosyntézy. Fotosyntetický přenos elektronů (cyklický a necyklický). Štěpení vody, PSII, cytochromový b6f komplex, PSI. Mobilní přenašeče. Protonový gradient – sumarizace, využití pro fotofosforylaci. Chlororespirace.

3. Fotosyntetický aparát – struktura a evoluce

Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot, původ plastidů různých skupin Eukaryot. Genom plastidů, dynamika, transport proteinů z cytoplasmy. Změny během ontogenese.

4. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, energetická bilance listu a porostu

Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy.Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem.


Vod

5. Fotosyntetická fixace CO2, fotorespirace

Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace.Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů.

6. Metabolismus C4 a CAM

Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco,strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin.

7. Průduchy a příjem CO2

Cesta CO2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient. Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních faktorů.

8. Respirace

Úloha dýchání při růstu rostlin, vztah dýchání a fotosyntézy. Základní struktura mitochondrií. Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy.

9. Fyziologie a regulace fotosyntézy

Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentraceCO2 a O2, teploty.

Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly – PQ, thioredoxin, ROS, askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO2. Regulace genové exprese.


Vod

  • Energie v živých systémech

    • Formy

    • Příjem

    • Výdej

    • Přeměny


Vod

Formy energie

Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (gravitace)

Vnitřní

- (jaderná energie)

- tepelná energie (teplota – pohyby molekul, interakce mezi molekulami)

- chemická energie (vazby mezi atomy - elektrony, orbitaly)

- uspořádanost - gradienty

- elektrická, …

Elektromagnetické záření


Vod

Změny vnitřní energie

(výměna s okolím – přenosy)

- elektromagnetické záření

- teplo

Wienův zákon posuvu


Vod

Příjem energie - zdroje

Chemická energie v přijatých látkách

Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)

Teplo přijaté z okolí

Přirozené gradienty látek (např. rozdíly ve vodním potenciálu)


Vod

Výdej energie

Chemická energie v uvolněných látkách

Teplo odevzdané do okolí (skupenské teplo vypařování)

Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)

Vytváření gradientů látek (např. osmotických potenciálů)


Vod

Přeměny energie (výčet jistě není úplný :-)

Elektromagnetické záření

– chemická energie

– energie gradientů

– tepelná energie

Energie gradientů

– chemická energie

– energie gradientů

– transport

Chemická energie

– chemická energie

– energie gradientů

– mechanická energie molekulárních motorů

– tepelná energie

Tepelná energie – energie gradientů, chemická, záření


Vod

Přeměny energie při fotosyntéze

Elektromagnetické záření

– chemická energie: P680 + chl a2 → P680+ + chl a2-

Chemická energie

– chemická energie: elektrontransportní řetězec (voda + ox. feredoxin + P680+ + chl a2- → kyslík + red. feredoxin + P680 + chl a2 )

– energie gradientů: elektrontransportní řetězec

(část energie elektronů → H + gradient)

Energie gradientů

– chemická energie: H + gradient + ADP + Pi → ATP


Vod

Přeměny energie

Energie gradientů

– chemická energie (syntéza ATP)

– energie gradientů (sekundární aktivní transport)

- iontů (stačí elektrický gradient)

- nenabitých částic (nutný symport, či antiport)

– transport (kořenový vztlak, objemový tok asimilátů)

Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H+)

– elektrická složka

– gradient látky

Nernstova rovnice:

E= 2,3.RT / F.z * log c1 / c2

z = náboj, F= Faradayova k.,

R – univerzální plyn. k., T - teplota

při 25°C: E = 0,059V/ z * log c1 / c2

(rovnovážný stav: 0,059 V při rozdílu koncentrací 1:10 pro z=1)


Vod

Přeměny energie

Chemická energie

– energie gradientů – primární aktivní transport

protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase,

V-, P-type)

PPi (tonoplast)


Vod

Přeměny energie

Chemická energie

– chemická energie - propojení reakcí endergonických a exergonických:

aA+bB = cC+dD

Určení směru reakcí – změna Gibbsovy volné E:

G’0 =RT . ln K’eq

= změna volné E při stand. podmínkách (pH 7, 25°C, 1M koncentraci všech složek!!! – určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu

Skutečná změna E

a tedy směr reakce

záleží na c složek!

Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b


Vod

Příklady standardních změn volné energie

Souvislost s Keq


Vod

Přeměny energie – pohánění reakcí

Chemická energie

– chemická energie - spřažení endergonických a exergonických reakcí (hydrolýzy ATP) – zajištěno aktivním místem enzymu

– výsledná změna G je součtem změn G dílčích reakcí

AMP~P~P  AMP~P + Pi

AMP~P  AMP + Pi

případně:

AMP~P~P  AMP + P~P

P~P  2 Pi(lze i využít např.PPi-dependent 6-P-fructokinase)


Vod

Spřažené reakce

Spřažené reakce na jednom enzymu:

ATP + H2O  ADP + PiDGo' = -31 kJ/mol

Pi + glucose  glucose-6-P + H2O DGo' = +14 kJ/mol

ATP+glucose ADP+glucose-6-P DGo' = -17 kJ/mol

Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy):

1: A + ATP B + AMP + PPiDGo' = +15 kJ/mol

2:PPi + H2O  2PiDGo' = –33 kJ/mol

Souhrnná reakce:

A + ATP + H2O  B + AMP + 2PiDGo' = –18 kJ/mol


Vod

Spřažené reakce

Vazba CoA- využití E v následnéspřažené

reakci

- možnost využití velkého množství E

Substrátová fosforylace ADP


Vod

odbočka: Termodynamika x kinetika

Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném běhu a kinetice!

  • reakce mohou mít vysokou aktivační energii – nutnost katalyzátoru (enzymu) – G je ale stejná!

  • vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s makroergními vazbami (ATP)!


Vod

CO2 R-COO- = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

Oxidace a redukce v živých systémech

klíčové procesy metabolismu – předávání energie ve formě elektronů

Postupné redukce/oxidace uhlíku

(při přeměně anorganického uhlíku na organický)

Elektonegativita prvků

H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44


Vod

Oxidace a redukce v živých systémech

  • Přímý přenos samotného elektronu:

  • Fe2+ + Cu2+ = Fe3+ + Cu+

  • Přenos dvou atomů vodíku:

    • AH2 = A + 2e- + 2H+

  • B + 2e- + 2H+ = BH2

  • --------------------------------

  • AH2 + B = A + BH2

  • Přenos atomu vodíku a elektronu (H-) – opět 2e-

    • (př. NAD-dehydrogenázy)

  • Přímá inkorporace kyslíku do organické molekuly

  • (nepřímo opět 2 atomy H)


  • Vod

    CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

    Oxidace a redukce organických látek

    Redukce za „spotřeby“ NADPH

    oxidace produkující NADH

    NADH (FADH2) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce

    NADPH – anabolické reakce

    Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi


    Vod

    NAD(P)+/NAD(P)H

    NAD+ + 2e- + H+ NADH

    NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+


    Vod

    • Redoxní potenciál

    • určuje změnu volné energie (G)

    • v jednoduchých redoxních

    • reakcích

    • G’0 = - z.F. E’0


    Vod

    NADH x NADPH

    NAD+– přednostní využití v katabolismu

    NADPH – přednostní využití v anabolických reakcích

    G’0 = - z.F. E’0 závisí na koncentraci

    - stejná pro NADH i NADPH

    E’0 orientační poměr v buňce


    Vod

    Oxidace a redukce organických látek

    - hospodaření s energií

    při redukcích:někdy dochází kfosforylaci substrátu (je-li potřeba

    dodání další energie k proběhnutí reakce)

    při oxidacích:někdy dochází kfosforylaci produktu

    může docházet k substrátové fosforylaci či vazbě CoA

    (uchování energie – využití v další reakci)

    může být tvořen protonový gradient


    Vod

    • Energetický metabolismus rostlin

      • Fotosyntéza (chloroplasty)

      • Dýchání (mitochondrie)

    • zdroje energie a jejich dostupnost

      • orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, …)

      • změny ve vývoji a diferenciaci

      • vliv dostupnosti vody a výživy

      • denní, sezónní změny

  • nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity

  • chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur

  • (na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk)


  • Vod

    Spotřeba energie v rostlině

    (fixovaná světelná či uvolněná dýcháním)

    • Růst – tvorba biomasy(přeměna sacharidů na složky rostliny)

    • - spotřebaúměrná produkci

      • asimilátů

      • (ztráta cca 25 % produkce PG)

    • (2) Udržování struktur („bazální metabolismus“)- spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny)

    • na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1 – 2 % hmotnosti své biomasy (platí pro byliny)

    • (3) Transport– vstup (opětovný vstup) a výstup z floému

    • (4) Aktivní příjem minerálních živin- zejména NO3-

    • (5) Asimilace minerálních živin(zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů) ….


    Vod

    Změny alokace sušiny do jednotlivých orgánů

    během vegetace u pšenice

    Larcher, 2001


    Fotosynt za d ch n

    Energie záření

    chem. energie

    (ATP, NAD(P)H)

    CO2

    O2

    Redukce za „spotřeby“ NADPH

    BIOMASA

    CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

    oxidace produkující NADH (FADH2)

    FotosyntézaDýchání

    teplo


    Vod

    Fotosyntéza

    Zdroj energie – ATP, NADPH (redukční síly), transport vody

    Zdroj metabolitů – anabolismus

    Respirace

    Zdroj energie – NADH, ATP (v noci,u nezelených pletiv), tepla

    Zdroj metabolitů – u všech buněk (pro anabolismus)

    Regulace – disipace nadbytečné energie ATP, obnovování NAD+ (dýchací řetězec)

    + oxidativní pentózofosfátová dráha (zdroj NADPH)

    (oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku)


    Vod

    • Respirace je nezbytná i u zelených buněk

    • - dýchání v buňkách obsahujících choroplasty je na světle inhibováno jen na cca 30 % stavu za tmy

    • Význam:

      • tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N)

      • regulace

      • - disipace energie NADH (při fotorespiraci)

      • - ATP pro syntézu sacharózy


    Vod

    Schéma základního energetického metabolismu

    rostlinné buňky

    Fotosyntéza

    Fotochemie

    Calvinův cyklus

    Respirace

    Glykolýza + -oxidace

    Krebsův cyklus

    Dýchací řetězec

    Pentóza-fosfátový

    cyklus (OPPP)

    Transport asimilátů,

    tvorba škrobu


    Vod

    Základní regulace

    energetického metabolismu rostlinné buňky

    - na biochemické úrovni mezi cytoplasmou, chloroplasty a mitochondriemi (např. redox signalizace)

    - na úrovni genové exprese mezi genomem, plastomem a chondriomem


    Vod

    Signalizace z chloroplastu (ukázka)

    MDH – malát dehydrogenáza; FNR – ferredoxin-NADPH reduktáza;

    FTR – ferredoxin-thioredoxin reduktáza; Fd – ferredoxin, Trx – thioredoxin,

    Grx – glutaredoxin; RNS – reaktivní formy dusíku


    Vod

    Redoxní stav - NAD(P)/NAD(P)H a poměr ADP/ATP

    - určení směru mnoha zvratných reakcí!

    - kofaktory v klíčových reakcích

    Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami


    Vod

    Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H:

    - vyrovnávání především antiportem metabolitů

    - specifické signály


    Vod

    Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované

    přenosem e- (metaloproteiny)

    FeIII+ / FeII+ hem - cytochromy,

    Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, …

    CuII+ / CuI+ např. plastocyanin


    Vod

    Přenašeče

    e- a H+

    v tylakoidní a

    mitochondiální membráně

    chinon

    plastochinon

    semichinon

    ubichinon, koenzym Q10

    hydrochinon

    = chinol


  • Login